喂~真的不是机器人的耳朵！ 揭秘人工耳蜗的工作原理

听到"人工电子耳"这五个字你会想到什么呢？ 既是「人工」又是「电子」的耳朵，大概就像义肢或义眼吧，会有着与原器官相似的外型，若一不小心开启妄想小宇宙，各种以机器人为题材的科幻电影马上浮现......，先等一下！ 这误会可大了！

帮助听损者重拾听力的高科技

人工电子耳其实是听力损失者在助听器之外，可选择使用的听觉辅具之一。 「听见声音」对常规听力正常的人来说，是在出生前就已经开始累积的感官经验，胎儿的听觉系统在孕期 6 个月左右就发育完成（Graven & Browne， 2008），而听觉也是人们离世时最后消失的感官功能（Blundon， Gallagher， & Ward， 2020），可说是在五感当中陪伴人一生最久的感官。 然而，有许多人因为各种先天或后天的因素而有程度不同的听力损失。 随着科技发达，要重拾听觉已不再是遥不可及的事。

就像是大部分长辈因老化而造成的重听，程度相对较轻，可以透过佩戴助听器矫正听力;但重度或极重度以上的听损，采用助听器这种放大声音的方式很可能已无法满足需求。 这时，植入人工电子耳则是另一种可以恢复听觉的选择。

人工电子耳如何产生听觉？

人工电子耳的原文为cochlear implant，也有人称为「人工耳蜗」。 从图一中可以看到，医生透过手术将电极（Electrode）植入到内耳的耳蜗当中，而佩戴在耳朵上的声音处理器（Sound processor）将接收到的声音讯号，依照音量和频率分布做计算、并转换为电讯号，再透过佩戴在头上的线圈，经电磁感应传送到植入体（Internal implant），越过受损的内耳， 透过电极以电流刺激听神经（Hearing nerve）而产生听觉（Loizou， 1999）。 所以人工电子耳的外型和耳朵并不相似，而是有一部份佩戴在耳朵上、一部份植入在头部内的。 近年更有一体成形机（可参考网页），佩戴在外部的所有元件都组合在一起，佩戴起来更加轻巧。

当代人工电子耳的发展可回溯到1960年代，一开始发展时许多学者其实并不看好，认为只透过少数几个电极，不可能将复杂的声音讯号与特性真实地呈现，并传递给大脑诠释为有意义的讯息。 然而经过研发与临床试验，许多植入电子耳的听损者可以有好的成效（Eshraghi et al.， 2012），植入后一年时测验句子听辨，平均正确率可达到约 90%（Wilson & Dorman， 2008）。 美国 FDA（U.S. Food and Drug Administration;相当于卫福部食药署）也分别在1980年和2000年正式通过成人和1岁以上孩子植入电子耳，至2019年底全球登记在案的电子耳数量超过73万（NIDCD，2021）。

原来耳蜗就像钢琴键盘

虽然电子耳确实能将重度听损者带回有声世界，一开始不看好的学者，其实也对电子耳恢复听觉的表现感到惊叹。 声音的信号十分复杂，究竟是如何只通过 16〜22 个电极，就完成了传递声音信号的任务呢？ 要回答这个问题，就要了解声音的两大特性、以及分别如何用电流来呈现。

声音的两大特性就是「音量大小」及「频率高低」，在电子耳的讯号处理中，音量可用电流的大小来呈现，而频率则可以利用电极在耳蜗中的位置来呈现，其原理是因为人的耳蜗原本就有「音调排列（tonotopic）」的特性。

人的耳蜗长度大约 3.5 公分，形状有点像蜗牛壳（所以叫耳蜗嘛！ ），盘绕大约 2 圈半。 所谓的音调排列，就如同图二所示，若想象将耳蜗拉直后，耳蜗的底部负责高频的声音、顶端则负责低频的声音，就像是对应钢琴键盘上按照声音频率高低而排列的琴键。 因此，声音讯号并不是全部一起送到所有的电极，而是声音处理器会将声音分解为数个不同的频段，再分别送到对应的电极。

在耳蜗植入的电极数量，决定声音处理器会将输入的声音分解为几个频段。 例如，澳洲电子耳大厂Cochlear公司的Neucleus电子耳，一般来说会在耳蜗内植入22个电极，那么声音处理器就会将声波分解为22个频段，再以电流脉冲（pulses）进行编码，并分别去刺激对应的电极。 也就是说，大约在 100-300 Hz 这个频率带的声音，在进行编码后就会被传送到植入在耳蜗最顶端的电极;而大约在 6000-8000 Hz 这个频率带的声音，则会透过耳蜗最底端的电极来刺激听神经®[注1]。

上述说明的是理论上最理想的状况，然而在实际上，可能因组织构造、听损本身造成的神经存活状态、电极间电流的互相干扰（此为电流本身之特性）等种种原因，造成呈现特定声音频率带的电脉冲并不是（只）刺激原本所设定、负责某频段的听神经，使得声音有失真和扭曲的现象。 所幸人类的大脑具有可塑性，在植入电子耳后，透过听能训练和日常不断累积聆听经验，许多电子耳使用者都能逐渐适应、并提升听辨的表现。

电极数越多、一定听得越好？

那么，通过电子耳的声音听起来到底是如何呢？ 在网络上有不少电子耳声音模拟[注2]的视频可以参考，这里介绍美国达拉斯大学提供的网页（Loizou， n.d.）。 其中提供了不同频道数（channel = 频道;概念上相当于电极数）、以及不同植入深度的声音模拟。 以频道数来说，若逐个试听，会发现愈多频道时语音会愈清楚。 不过受限于耳蜗体积、电极相近时会互相干扰等因素，植入的电极数能增加数量有限，如前述一般是植入16 – 22个电极。 此外，虽然在理论上愈多频道（电极）声音会愈清晰，但由于各种复杂的影响因素[注3]，实际上这样的关系并不是绝对的，尤其不同的电子耳产品间、或不同个案间，不能直接以电极数来评断声音/聆听质量的优劣。

植入深度也是影响因素

除了频道数外，网站上还提供了不同植入深度的模拟。 电子耳的植入手术中，是将电极从耳蜗的底端插入，理想的植入深度是大约25毫米。 这样的情况下，特定频率带的声音就可以通过对应的电极，去刺激负责那段频率的听神经。 如果植入的深度不够，代表电极的位置是比较偏底端的，根据前面提到的音调排列特性，特定频率带的声音就会被送往较接近底端、偏向较高频率的电极和听神经了。

植入深度不足的情况可参考图三，图的上半部示意理想植入深度，因此声音处理器的声音分解（Analysis bands）和刺激电极在耳蜗的分布（Carrier bands）是能够完全对应的。 而图三的下半部，则是植入深度极端不足（16 毫米）的示意图。 在这情况下，大约200-360 Hz这段频率的声音（Analysis bands最左边的小方块），会被传送到负责大约1000-1400 Hz这段频率带的电极及听神经（Carrier bands最左边的小方块），因此声音听起来会变得很高、很尖很细，而有扭曲的现象。 你可以在声音模拟的网站试听看看，植入深度愈浅（22 mm）时，声音听起来会愈尖。

透过训练，让大脑适应电子耳的声音

除此之外，你可能也会发现，若先听过原始的语音（original speech/original sentence）、再听模拟的声音，会发现听起来变得容易理解得多，尤其是参数条件较好的模拟语音，也就是较多频道、或植入深度较深的模拟语音。 如果反复再多听几次，甚至会发现，即使是频道数较少、植入深度较浅的模拟语音，也不像第一次听到时感觉那么难以辨识了。 这样反复练习聆听的过程，可说是电子耳术后听能复健的缩影。

听损者在植入电子耳后，对于大脑来说，并无法马上就能诠释透过电刺激所传送的讯号，而是要透过不断地练习，包括正式的听能复健、以及日常生活中持续累积聆听经验，才能将手术前透过声波所理解的各种声音，再重新与电刺激所呈现的声音进行配对。

电子耳术后复健是关键

电子耳植入后是否能成功地通过听理解日常对话，背后有许多的影响因素，其中关键的两点，是植入前是否有听能和语言的基础，以及植入后的听能复健与日常练习[注4]。 若植入前有听语基础，像是学语后失聪的成人、或植入前有稳定佩戴助听器的聆听经验等，因为已具备语言知识和语音聆听经验，大脑的听觉区有持续地接收刺激，所以在植入后，可以在既有的听语基础上，去建构更好的听能技巧。 而植入后的听能复健与日常练习更是至关重要，透过不断地练习，并配合听语专业人员的复健课程，让大脑可塑性发挥作用，去辨识进而理解透过电子耳传递的语音。

2017 年电子耳纳入健保给付后，许多医生和家长都会积极地为听损孩子植入电子耳。 然而，这里要提醒的是，虽然电子耳确实有许多成功的案例，但在决定手术之前，仍应审慎评估风险与成效，并了解术后复健所需投入的时间与心力，才能在植入后达到最好的聆听成效。

注解

• 注 1：本文所说明的声音处理方式是经典的策略，随着各家厂商研发新技术，声音讯号处理的方式会有所变化，但在概念上大致相似。

• 注2：电子耳声音模拟呈现的仍然是声波，与电子耳透过电刺激所传递的方式有本质上的不同，所以并无法真实呈现电子耳用户聆听的感受。 声音模拟的真正用途是在学术研究与技术研发，让学者和电子耳公司，能透过改变模拟的参数进行实验，来找寻更好的电子耳声音处理策略。

• 注 3：影响因素包括：先天内耳构造、电极间的电流交互作用、耳蜗死区、听神经存活率、电子耳调频图的各项参数......

• 注 4：植入后的另一项关键因素是定期调频（mapping;另一译名为「调机」），即听力师依个案需求，调整电子耳声音处理策略的各项参数及电流量，一开始植入后需较密集地调频，应配合听力师建议定期进行，稳定后亦应每年调频一次。 受限于篇幅本文未深入说明。